페로브스카이트 태양전지 세계 최고 효율 경신

에너지硏·UNIST, 페로브스카이트 소재 구성 대체 물질 찾아 25.6% 효율 기록

페로브스카이트 태양전지 ⓒUNIST

한국에너지기술연구원과 UNIST연구진이 페로브스카이트(Perovskite) 태양전지 세계최고 효율 기록을 경신했다. 페로브스카이트 태양전지는 태양광 발전 단가를 획기적으로 낮출 것으로 기대되는 차세대 전지다. 연구결과는 최고 권위 국제 과학 학술지인 Nature지에 4월 5일자로 게재됐다.

한국에너지기술연구원 김동석 박사 연구팀과 UNIST 김진영 교수팀은 스위스 로잔공대(EPFL) 연구진과 함께 태양광을 전기로 바꾸는 효율이 25.6%에 이르는 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 논문으로 정식 보고된 페로브스카이트 태양전지 효율 중 최고다. 이 전지의 핵심 소재는 페로브스카이트로 불리는 합성 화합물인데, 연구진이 새로운 방식으로 물질 조합을 바꿔 효율을 끌어올렸다. 이번 연구는 페로브스카이트를 이용한 차세대 디스플레이와 같은 광전소자*개발에도 도움이 될 전망이다.

개발된 페로브스카이트 물질의 구조 및 특성 (a) 기존 페로브스카이트 물질이 포메이트(HCOO-)을 첨가함 (b) 물질 내에서 전하 입자를 유지하는 성질이 우수함(붉은색 영역이 개발된 물질) (c) 포메이트를 페로브스카이트 물질 입자의 수직 성장을 도움 (d) 포메이트는 결함(vacancy, 원자가 구멍 난 자리) 제거 능력이 기존 음이온에 비해 뛰어남을 보여줌 ⓒUNIST

*광전소자 : 빛에너지를 전기로 바꾸거나 전기를 빛으로 바꿀 수 있는 기기. 전자는 태양광전지, 후자는 디스플레이 기기가 대표적이다.

페로브스카이트 전지의 효율과 내구성 등을 개선하기 위해 페로브스카이트 소재 자체의 성능을 개선하려는 연구가 활발하다. 이 소재는 한 종류의 음이온과 두 종류의 양이온이 조합된 물질로 그 간 연구는 양이온의 조합 등을 바꾸는 데 집중돼 있었다.

공동 연구팀은 페로브스카이트를 구성하는 음이온 일부(용액함량 2%)를 포메이트(HCOO-)란 물질로 교체하는 방식으로 전지 효율과 내구성을 향상시켰다. 이 물질은 페로브스카이트 소재 내부의 규칙적인 입체구조가 단단히 성장하는 것을 돕는다. 입체구조는 소재 내 이온들끼리 결합해 생기는데, 포메이트가 금속 양이온과 상호작용해 결합력을 강화하기 때문이다. 입체구조가 규칙적으로 잘 자란 소재(결정성이 우수한 소재)를 쓰면 전지 효율이 좋다. 실제로 포메이트를 첨가하지 않은 페로브스카이트 전지 대비 효율이 10% 이상 향상됐다.

UNIST 김진영(에너지화학공학과) 교수는 “아이오딘(I-)이나 브롬(Br-) 이온만을 음이온 자리에 쓸 수 있다는 고정관념을 깼다”며 “포메이트의 크기가 기존 음이온과 비슷하다는 데서 착안했다”고 설명했다.

개발된 물질을 이용한 태양전지 구조 및 성능. (a) 개발된 페로브스카이트 물질을 광활성층으로 쓴 태양전지의 구조. (b) 포메이트를 첨가했을 때(붉은색선)전력 생산량이 늘어남. (c) 美 Newport社 공인 인증 시험성적. 25.21±0.8%의 전력 변환 효율을 인증 받음. (d) 습도 안정성을 보여주는 그래프. (e) 열 안정성을 보여주는 그래프. ⓒUNIST

한국에너지기술연구원 김동석(차세대전지 연구개발센터장) 박사팀은 전지 제작을 담당했다. 김동석 박사는 “개발된 물질로 효율을 극대화 할 수 있는 구조의 태양전지 셀(cell)을 설계하고 제작해 25.2%의 높은 공인 기록(美 Newport社 공식인증)도 확보했다”며 “동일한 품질의 전지를 만드는 것이 가능해 상용화에 유리할 것”이라고 기대했다. 김동석 박사팀은 ‘13년부터 김진영 교수팀과 공동연구를 진행해 오고 있다.

한편, 페로브스카이트는 합성이 쉽고 가격 저렴해 디스플레이(발광소자), 센서 등의 분야에서도 연구되는 물질이다.

제1저자인 정재기 UNIST 박사(現 로잔공대)는 “포메이트가 페로브스카이트 결정 내 음이온 자리에서 주위 원소들과 상호작용 할 수 있다는 것을 세계최초로 밝혀냈다는 점에서 학문적 의미도 크다”며 “이번 연구로 페로브스카이트 물질 연구의 방향성을 새롭게 제시했다”고 설명했다.

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